基于相位變化率的體目標(biāo)與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨

雍錦濤, 莫世奇, 陳云飛, 王振山, 賈兵, 李桂娟, 張陽(yáng)

(1.哈爾濱工程大學(xué) 水聲工程學(xué)院, 黑龍江 哈爾濱 150001; 2.水下測(cè)控技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 遼寧 大連 116013; 3.大連理工大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院, 遼寧 大連 116024)

水下目標(biāo)聲學(xué)模擬誘騙主要包括回聲特性模擬誘騙和噪聲特性模擬誘騙,是水下平臺(tái)應(yīng)對(duì)聲自導(dǎo)魚雷攻擊的重要對(duì)抗手段?；芈曁匦阅M主要是通過(guò)數(shù)個(gè)代表體目標(biāo)典型亮點(diǎn)的應(yīng)答轉(zhuǎn)發(fā)換能器按照一定的加權(quán)系數(shù)對(duì)接收到的入射波信號(hào)進(jìn)行幅度和相位加權(quán)后轉(zhuǎn)發(fā),經(jīng)疊加形成真實(shí)目標(biāo)的模擬回波,實(shí)現(xiàn)對(duì)主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷的誘騙和干擾[1-5]。多點(diǎn)源合成目標(biāo)能夠較好地模擬真實(shí)體目標(biāo)的亮點(diǎn)分布、尺度等特性,對(duì)主動(dòng)聲自導(dǎo)魚雷具有很強(qiáng)的誘騙干擾能力,使得水下真假目標(biāo)分辨面臨極大的挑戰(zhàn),如何對(duì)真實(shí)目標(biāo)和點(diǎn)源合成目標(biāo)回波進(jìn)行有效辨識(shí)是水下目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

研究表明,聲波經(jīng)目標(biāo)反射后產(chǎn)生回波,在回波產(chǎn)生的過(guò)程中,目標(biāo)的幾何形狀、材質(zhì)類別以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)等物理屬性參數(shù)對(duì)入射聲波進(jìn)行了波形調(diào)制[6],導(dǎo)致了聲波波形的變化,即入射聲波經(jīng)目標(biāo)散射后產(chǎn)生了與目標(biāo)物理屬性參數(shù)相關(guān)的相位跳變,也稱為“目標(biāo)相位”[7]。對(duì)于彈性目標(biāo)而言,其本質(zhì)是入射聲波經(jīng)目標(biāo)散射后產(chǎn)生的幾何散射波與彈性散射波相互疊加引起了入射聲波的幅度和相位的調(diào)制變化。目標(biāo)回波波形結(jié)構(gòu)攜帶了目標(biāo)的物理屬性信息,回波相位特征則是表征目標(biāo)回波波形結(jié)構(gòu)的重要特征之一。多項(xiàng)用于目標(biāo)探測(cè)、分類和識(shí)別的回波相位特征研究表明,回波相位特征可作為水中目標(biāo)分類和識(shí)別的有效特征參量[8-17]。

多點(diǎn)源合成目標(biāo)是一個(gè)非連續(xù)目標(biāo),可模擬真實(shí)體目標(biāo)的典型亮點(diǎn),無(wú)法模擬亮點(diǎn)之間的體目標(biāo)散射特性變化,而真實(shí)體目標(biāo)具有延伸表面和體積,其回波是由目標(biāo)各連續(xù)部位反射的聲波相干疊加生成,加之彈性表面波的存在,使得真實(shí)體目標(biāo)和多點(diǎn)源合成目標(biāo)模擬回波的波形結(jié)構(gòu)存在較大的差異。

針對(duì)水中體目標(biāo)回波與點(diǎn)源合成回波分辨問(wèn)題,作者及其所在的研究團(tuán)隊(duì)前期開展了多項(xiàng)仿真和實(shí)驗(yàn)研究[18-20],研究表明目標(biāo)回波波形結(jié)構(gòu)、相移特性隨著目標(biāo)材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、徑向尺度的變化而具有顯著區(qū)別,本文研究了體目標(biāo)與多點(diǎn)源合成目標(biāo)的回波相位特性,提出并建立了基于相位變化率的體目標(biāo)與多點(diǎn)源合成目標(biāo)回波的分辨方法,并通過(guò)Benchmark基準(zhǔn)潛艇縮比模型和多點(diǎn)源合成目標(biāo)模型的回聲特性仿真和測(cè)試數(shù)據(jù)分析對(duì)其可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。

1 體目標(biāo)與多點(diǎn)源合成回波相位特征差異性分析

體目標(biāo)存在大量的散射點(diǎn),其總體回波是由目標(biāo)上不同部位散射分量疊加而產(chǎn)生。根據(jù)聲吶目標(biāo)亮點(diǎn)模型[21],可以將體目標(biāo)分解成多個(gè)“亮點(diǎn)”,目標(biāo)總體回波主要由這些“亮點(diǎn)”散射的子回波相干疊加生成。亮點(diǎn)主要分為幾何亮點(diǎn)和彈性亮點(diǎn),聲信號(hào)經(jīng)亮點(diǎn)散射,形成對(duì)應(yīng)的幾何散射波與彈性散射波,幾何散射波與目標(biāo)尺度、探測(cè)角度等因素相關(guān),而彈性散射波與目標(biāo)的材質(zhì)和內(nèi)部結(jié)構(gòu)相關(guān)。對(duì)于單個(gè)亮點(diǎn),其聲散射過(guò)程的傳遞函數(shù)的表達(dá)式為:

H(r,f)=A(r,f)ej2πfτejφ

(1)

式中:A(r,f)為幅度反射因子;τ為時(shí)延因子;φ為亮點(diǎn)產(chǎn)生的“亮點(diǎn)相位跳變”。

設(shè)體目標(biāo)由N個(gè)亮點(diǎn)構(gòu)成,且將亮點(diǎn)產(chǎn)生回波這一過(guò)程看作線性系統(tǒng),則當(dāng)聲信號(hào)S(f)經(jīng)目標(biāo)上N個(gè)亮點(diǎn)散射疊加形成的回波信號(hào)的表達(dá)式為:

(2)

當(dāng)s(t)是線性調(diào)頻信號(hào)時(shí),其復(fù)數(shù)表達(dá)式為:

(3)

式中:τ為信號(hào)脈沖寬度;k=B/τ為線性調(diào)頻斜率;B為信號(hào)帶寬;rect(t/τ)是矩形調(diào)制函數(shù)。

對(duì)s(t)進(jìn)行傅里葉變換,可得:

(4)

(5)

j[S(x1)+S(x2)])

(6)

式中C(x)和S(x)為菲涅爾積分。

(7)

(8)

為便于分析,設(shè)A(ri,f)=A(f),則有:

(9)

對(duì)于M個(gè)點(diǎn)源合成目標(biāo)而言,在固定觀測(cè)點(diǎn)處,由不同時(shí)延的“規(guī)則包絡(luò)結(jié)構(gòu)”子回波信號(hào)疊加構(gòu)成總體回波,其回波信號(hào)頻域形式表達(dá)式為:

(10)

式中:τ1i為時(shí)延因子;B為點(diǎn)源信號(hào)幅度因子。

式(9)、(10)表明2類目標(biāo)總回波的相位譜與聲信號(hào)的頻率和調(diào)頻斜率等聲信號(hào)參數(shù)緊密相關(guān);對(duì)于體目標(biāo),其與各散射點(diǎn)的相對(duì)位置、亮點(diǎn)幅度以及“亮點(diǎn)相位”等聲目標(biāo)物理屬性參數(shù)緊密相關(guān),而點(diǎn)源合成目標(biāo)不產(chǎn)生“亮點(diǎn)相位跳變”。特別地,當(dāng)聲波入射角發(fā)生變化時(shí),體目標(biāo)各散射點(diǎn)的散射回波在固定觀測(cè)點(diǎn)處相干疊加形成的總體回波發(fā)生變化,回波的相位譜也發(fā)生變化,而單點(diǎn)源的散射回波不發(fā)生變化,且由于其無(wú)法模擬亮點(diǎn)之間的體目標(biāo)散射特性變化,因此,與體目標(biāo)回波相位的變化相比,多點(diǎn)源合成目標(biāo)回波相位的變化相對(duì)不顯著。

2 體目標(biāo)與多點(diǎn)源合成回波的分辨方法

水下體目標(biāo)回波的相位譜,與目標(biāo)的幾何結(jié)構(gòu)尺寸、亮點(diǎn)幅度以及“亮點(diǎn)相位”等聲目標(biāo)物理屬性參數(shù)緊密相關(guān),而點(diǎn)源合成目標(biāo)不產(chǎn)生“亮點(diǎn)相位”,且由于其無(wú)法模擬亮點(diǎn)之間的體目標(biāo)散射特性變化,使得體目標(biāo)回波相位譜與多點(diǎn)源合成目標(biāo)回波相位譜存在明顯的可分辨差異性。

為了凸顯2類目標(biāo)回波相位譜的差異性,并通過(guò)該差異性對(duì)2類目標(biāo)的回波進(jìn)行分辨,本文通過(guò)去除相位譜大的趨勢(shì)量,增強(qiáng)相位譜變化小量,建立一種能夠更好地凸顯相位譜的高頻起伏特性的表征參量,即相位變化率R:

(11)

式中:φ0為原始纏繞相位;φ為解纏繞后的相位;“UW”為相位解纏繞運(yùn)算算子;f1和f2表示信號(hào)作傅里葉變換后的離散頻域上相鄰的2個(gè)頻率;fs為信號(hào)采樣頻率;N為作傅里葉變換的點(diǎn)數(shù)。

基于上述差異性特征參量,設(shè)計(jì)體目標(biāo)與點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨方法流程,如圖1所示。

圖1 體目標(biāo)回波與多點(diǎn)源合成回波分辨方法流程Fig.1 Procedure of discrimination of under target echo and synthetic echo

具體為對(duì)回波數(shù)據(jù)作傅里葉變換,并采用具有相位不變性的全相位法獲取目標(biāo)回波頻域相位[22],以單頻復(fù)指數(shù)序列x(n)為例,對(duì)其做全相位傅里葉變換,得到其全相位快速傅里葉變換(FFT)頻譜為:

(12)

由式(12)可知,全相位FFT譜的相位值為θ0,即為中心樣點(diǎn)的理論值,與頻偏m-k無(wú)關(guān)。由此可以看出,與傳統(tǒng)FFT譜分析方法相比,全相位FFT譜分析方法能夠極大地減少因數(shù)據(jù)截?cái)喽鴰?lái)的頻譜泄露,且具有相位不變性,相位信息保留完好,不會(huì)發(fā)生相位模糊,通過(guò)全相位FFT譜分析方法能夠精確地提取出信號(hào)的相位信息。

隨后對(duì)頻域相位作解纏繞處理。一般情況下,通過(guò)頻譜分析方法直接獲得的相位是“纏繞相位”,即相位值周期調(diào)制在[-π,π]區(qū)間內(nèi),是劇烈跳變的,大部分情況下呈鋸齒狀?！袄p繞相位”的不連續(xù)性或周期跳變性不屬于信號(hào)本身所攜帶的信息,相位纏繞或混疊是由于計(jì)算相位的反正切函數(shù)的多值性引起了相位函數(shù)的跳變。因此,在提取相位特征前,需要對(duì)“纏繞相位”進(jìn)行解纏繞處理,即根據(jù)反正切的主值和相位函數(shù)的周期性確定出合理的相位值。本文采用一種易于理解的相位解纏繞算法,即選定某參考點(diǎn)后,對(duì)于后續(xù)離散相位序列,若相鄰離散相位值增量大于+π,則在現(xiàn)有值的基礎(chǔ)上減掉2π,若相鄰2個(gè)離散相位值的增量小于-π,則在現(xiàn)有值的基礎(chǔ)上加2π,其他情況下,相位值保持不變。

在獲取絕對(duì)相位的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析輸出相位變化率,最終通過(guò)對(duì)比相同方位角度下的相位變化率量值,對(duì)體目標(biāo)與多點(diǎn)源合成目標(biāo)的回波進(jìn)行分辨。

3 基于數(shù)值仿真的目標(biāo)回波與模擬回波分辨方法驗(yàn)證

為了從理論上認(rèn)識(shí)并掌握目標(biāo)回波相位特征、驗(yàn)證方法的可行性以及特征參量的適用性,對(duì)回波相位變化率特征進(jìn)行了仿真研究。

3.1 仿真參數(shù)及條件設(shè)置

采用Unigraphics優(yōu)集三維幾何建模軟件對(duì)體目標(biāo)進(jìn)行幾何建模,體目標(biāo)幾何模型采用Benchmark基準(zhǔn)潛艇縮比模型[23],如圖2所示。多點(diǎn)源合成目標(biāo)模型示意如圖3所示。

圖2 1/20 Benchmark基準(zhǔn)潛艇縮比模型Fig.2 1/20 Benchmark model of real target

圖3 多點(diǎn)源合成目標(biāo)模型Fig.3 Model of the synthetic point-source target

采用基于物理聲學(xué)的板塊元法[24]與頻域間接法[25]對(duì)水下體目標(biāo)的回波信號(hào)進(jìn)行預(yù)報(bào),得到目標(biāo)回波時(shí)域波形。

多點(diǎn)源合成目標(biāo)的回波模擬仿真,通過(guò)計(jì)算不同入射角度下的各點(diǎn)源應(yīng)答子回波的到達(dá)設(shè)定的觀測(cè)點(diǎn)的時(shí)間延遲、折算不同傳播距離對(duì)應(yīng)的聲信號(hào)傳播損失后,在固定觀測(cè)點(diǎn)處疊加生成模擬目標(biāo)的總體回波。

仿真參數(shù)設(shè)置:測(cè)試信號(hào)脈寬1 ms、頻率為40～80 kHz的線性調(diào)頻信號(hào),方位角度0° ～180°。需要說(shuō)明的是,本文中規(guī)定目標(biāo)艏向?yàn)?°、正橫位置為90°、目標(biāo)艉向?yàn)?80°。

3.2 仿真結(jié)果的分析與討論

圖4～6分別是0°、45°、90°入射角度下的Benchmark基準(zhǔn)潛艇縮比模型體目標(biāo)回波、相頻譜?？梢悦黠@看出,不同角度下的時(shí)域回波波形結(jié)構(gòu)顯著不同,0°、45°入射角下的總體回波信號(hào)由存在明顯的無(wú)回波信號(hào)間隔的2段信號(hào)組成,而90°入射角下的時(shí)域回波信號(hào)相對(duì)連續(xù);其回波信號(hào)的相頻譜存在明顯的差異,0°入射角下的相頻譜變化范圍最大、90°入射角下的回波相頻譜變化范圍最小。圖7～9分別是0°、45°、90°入射角度下的6點(diǎn)源合成目標(biāo)回波、相頻譜。可以明顯看出,不同角度下的時(shí)域回波波形結(jié)構(gòu)顯著不同;其回波信號(hào)的相頻譜存在明顯的差異。

圖4 Benchmark潛艇模型的回波與回波相位譜(0°入射角)Fig.4 Echo and phase spectrum of Benchmark model,(0° incidence angle)

圖5 Benchmark潛艇模型的回波與回波相位譜(45°入射角)Fig.5 Echo and phase spectrum of Benchmark model(45° incidence angle)

圖6 Benchmark潛艇模型的回波與回波相位譜(90°入射角)Fig.6 Echo and phase spectrum of Benchmark model(90° incidence angle)

圖7 6點(diǎn)源合成回波與回波相位譜(0°入射角)Fig.7 Echo and phase spectrum of the 6 point-source target(0° incidence angle)

圖8 6點(diǎn)源合成回波與回波相位譜(45°入射角)Fig.8 Echo and phase spectrum of the 6 point-source target(45° incidence angle)

圖9 6點(diǎn)源合成回波與回波相位譜(90°入射角)Fig.9 Echo and phase spectrum of the 6 point-source target(90° incidence angle)

進(jìn)一步對(duì)2類目標(biāo)回波的相頻譜進(jìn)行細(xì)化處理,得到相位隨頻率變化的變化率,如圖10、11所示。由圖10、11可知,2類目標(biāo)均在90°入射角下的相位變化率最小,而0°、45°入射角下的相位變化率相對(duì)大;同一入射角度下,2類目標(biāo)相位變化率隨頻率的變化起伏程度和頻率均存在顯著差異。

圖10 Benchmark模型的回波相位變化率Fig.10 Change rate of phase of Benchmark model

圖11 6點(diǎn)源合成目標(biāo)的回波相位變化率Fig.11 Change rate of phase of the 6 point-source target

在圖10、11的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步統(tǒng)計(jì)分析處理,分別提取了體目標(biāo)與多點(diǎn)源合成目標(biāo)的0°～180°入射角內(nèi)的回波相位變化率,如圖12所示。

圖12 Benchmark模型與多點(diǎn)源合成回波相位變化率對(duì)比Fig.12 Comparison of phase change rate between the Benchmark model and the point-source target

由圖12可知,當(dāng)聲波從目標(biāo)正橫方位入射時(shí),回波信號(hào)的絕對(duì)頻域相位變化率相對(duì)小;當(dāng)聲波從目標(biāo)艏艉方向入射時(shí),其回波信號(hào)的絕對(duì)相位變化率相對(duì)大。當(dāng)入射角由0°逐漸變化到90°,相位變化率總體上是逐漸減小的,當(dāng)入射角由90°逐漸變化到110°,相位變化率總體上是逐漸增大的。在110°～180°內(nèi),體目標(biāo)回波相位變化率在0.01～0.012內(nèi)起伏變化,艏艉方向的相位變化率變化趨勢(shì)和量值存在差異明顯;而多點(diǎn)源模擬目標(biāo)回波相位變化率的這一特點(diǎn)與構(gòu)成合成目標(biāo)的點(diǎn)源個(gè)數(shù)相關(guān)。特別地,如圖12所示,入射角0°～180°內(nèi),同一入角度下,體目標(biāo)回波相位變化率大于的多點(diǎn)源合成目標(biāo)回波的相位變化率。

4 基于實(shí)驗(yàn)測(cè)試的目標(biāo)回波與模擬回波分辨方法驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)測(cè)試參數(shù)設(shè)置

用于驗(yàn)證測(cè)試的體目標(biāo)是縮放比為1/20的Benchmark體目標(biāo)模型,模型長(zhǎng)3.1 m;雙點(diǎn)源合成目標(biāo)是由2個(gè)獨(dú)立聲學(xué)特性參數(shù)幾乎一致的應(yīng)答器構(gòu)成的。如圖13、14所示,目標(biāo)通過(guò)兩根軟繩吊掛在模型轉(zhuǎn)臺(tái)上,通過(guò)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)改變模型相對(duì)于觀測(cè)點(diǎn)的方位角,收發(fā)合置換能器布放在距目標(biāo)等效聲中心約11 m位置處,目標(biāo)與換能器布放深度均為8 m。測(cè)試時(shí),發(fā)射波束中心對(duì)準(zhǔn)被測(cè)目標(biāo)幾何中心位置固定不動(dòng),目標(biāo)從0°艏位置勻速旋轉(zhuǎn)180°艉位置,同步采集目標(biāo)回波測(cè)試數(shù)據(jù)。測(cè)試信號(hào)是脈寬為1 ms、頻率為40～80 kHz的線性調(diào)頻信號(hào)。

圖13 Benchmark模型測(cè)試示意Fig.13 Configuration of test for Benchmark model

圖14 雙點(diǎn)源模擬回波測(cè)試示意Fig.14 Configuration of test for the point-source target

4.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

圖15～17是0°、45°、90°入射角度下的Benchmark基準(zhǔn)潛艇縮比模型體目標(biāo)的回波時(shí)域波形、回波相位譜。從圖中可以看出,不同角度下的時(shí)域回波波形結(jié)構(gòu)存在顯著差異,0°、45°入射角下的總體回波信號(hào)存在明顯的不連續(xù)性,而90°入射角下的時(shí)域回波信號(hào)相對(duì)連續(xù)且信號(hào)幅值相對(duì)較大。3個(gè)典型入射角度下,0°入射角下的相頻譜變化范圍最大、90°入射角下的回波相頻譜變化范圍最小,與理論仿真結(jié)果相符。

圖15 Benchmark潛艇模型的回波與回波相位譜(0°入射角)Fig.15 Echo and phase spectrum of Benchmark model(0° incidence angle)

圖16 Benchmark潛艇模型回波與回波相位譜(45°入射角)Fig.16 Echo and phase spectrum of Benchmark model(45°incidence angle)

圖17 Benchmark潛艇模型回波與回波相位譜(90°入射角)Fig.17 Echo and phase spectrum of Benchmark model(90° incidence angle)

圖18～20是0°、45°、90°入射角度下的雙點(diǎn)源合成目標(biāo)的時(shí)域回波、相頻譜。可以明顯看出,0°、45°入射角下的總體回波信號(hào)存在明顯的不連續(xù)性,而90°入射角下的時(shí)域回波信號(hào)相對(duì)連續(xù)且信號(hào)幅值相對(duì)較大。0°、45°入射角下的相頻譜變化范圍相對(duì)小,90°入射角下的回波相頻譜變化范圍相對(duì)大,區(qū)別于體目標(biāo)的實(shí)驗(yàn)測(cè)試與理論仿真結(jié)果。

圖18 雙點(diǎn)源合成回波與回波相位譜(0°入射角)Fig.18 Echo and phase spectrum of the 2 point-source target(0° incidence angle)

圖19 雙點(diǎn)源合成回波與回波相位譜(45°入射角)Fig.19 Echo and phase spectrum of the 2 point-source target(45° incidence angle)

圖20 雙點(diǎn)源合成回波與回波相位譜(90°入射角)Fig.20 Echo and phase spectrum of the 2 point-source target(90° incidence angle)

圖21是0°、45°、90°入射角下的Benchmark體目標(biāo)回波信號(hào)相位變化率。由圖21可以看出,90°入射角下的相位變化率量值相對(duì)小、起伏程度低,而0°、45°入射角下的相位變化率量值相對(duì)較大、且起伏的頻率和程度相對(duì)較大,與仿真計(jì)算結(jié)果的總體趨勢(shì)相符。

圖21 Benchmark模型的回波相位變化率Fig.21 Change rate of phase of Benchmark model

圖22是0°、45°、90°入射角下雙點(diǎn)源合成目標(biāo)回波相位變化率。由圖22可以看出,90°入射角下的相位變化率量值相對(duì)小、起伏程度低,而0°、45°入射角下的相位變化率量值相對(duì)較大、且起伏的頻率和劇烈程度相對(duì)較大,此特點(diǎn)與Benchmark體目標(biāo)模型的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果和仿真計(jì)算結(jié)果的特點(diǎn)類似,但是同角度下的量值存在明顯差異。

圖22 雙點(diǎn)源合成目標(biāo)的回波相位變化率Fig.22 Change rate of phase of the 2 point-source target

基于圖21、22的結(jié)果,對(duì)每一入射角下的水下體目標(biāo)與雙點(diǎn)源合成目標(biāo)的變化率進(jìn)一步細(xì)化處理,分別得到兩類目標(biāo)在0°～180°入射角下的回波相位變化率,如圖23所示。

圖23 體目標(biāo)與雙點(diǎn)源合成目標(biāo)回波相位變化率對(duì)比Fig.23 Comparison of phase change rate between the Benchmark model and the 2 point-source target

測(cè)試數(shù)據(jù)分析表明:與體目標(biāo)相比,雙點(diǎn)源合成目標(biāo)在0°～180°入射角度范圍內(nèi)的回波信號(hào)的相位變化率相對(duì)小,兩者間存在明顯的量值差異和整體變化趨勢(shì)的差異;同一入射角下,體目標(biāo)回波相位變化率大于雙點(diǎn)源合成回波的相位變化率,此結(jié)果與仿真結(jié)果相符合。

當(dāng)聲波從目標(biāo)正橫方位入射時(shí),回波信號(hào)相位變化率小;聲波從目標(biāo)艏艉方向入射時(shí),其回波信號(hào)相位變化率相對(duì)較大,與仿真分析結(jié)果一致。當(dāng)聲波入射方向在目標(biāo)艏艉方向范圍內(nèi)時(shí),測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果的一致性較差;而在正橫方位范圍內(nèi),測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果與仿真分析結(jié)果的一致性較好。造成差異的主要原因?yàn)?1)體目標(biāo)回波仿真預(yù)報(bào)是通過(guò)板塊元近似體目標(biāo)表面得出的,且沒(méi)有考慮目標(biāo)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的影響,使得部分回波信號(hào)相位信息缺失;2)在回波的仿真預(yù)報(bào)中,沒(méi)有考慮混響等的干擾以及能量泄露的存在,使得測(cè)試數(shù)據(jù)分析結(jié)果和仿真分析結(jié)果存在一定的差異性。

4.3 體目標(biāo)與多點(diǎn)源合成目標(biāo)回波分辨

探測(cè)系統(tǒng)接收到水下體目標(biāo)和點(diǎn)源模擬目標(biāo)回波信號(hào)后,計(jì)算其回波的相位變化率和方位,根據(jù)掌握的先驗(yàn)知識(shí),設(shè)置適宜的判決門限,利用目標(biāo)回波的相位變化率與方位角度下的判決門限Th的大小關(guān)系來(lái)辨識(shí)目標(biāo)為水下體目標(biāo)回波還是點(diǎn)源模擬目標(biāo)回波,如圖24所示。當(dāng)接收到的回波信號(hào)相位變化率大于Th時(shí),判斷接收到的回波為體目標(biāo)回波;當(dāng)接收到的回波信號(hào)相位變化率小于Th時(shí),判斷接收到的回波為點(diǎn)源合成目標(biāo)回波。特別地,在真實(shí)對(duì)抗條件下,只能獲取有限方位角度下的回波數(shù)據(jù),此時(shí)可根據(jù)獲取的方位信息調(diào)整門限。

圖24 基于相位變化率的體目標(biāo)與雙點(diǎn)源合成回波的分辨Fig.24 Discrimination between the real underwater target and the synthetic point-source echo based on phase change rate

5 結(jié)論

1)聲信號(hào)從體目標(biāo)正橫方位入射時(shí),體目標(biāo)回波的頻域相位變化率相對(duì)小;聲信號(hào)從體目標(biāo)艏艉方位入射時(shí),體目標(biāo)回波的頻域相位變化率相對(duì)大,且量值差異明顯;多點(diǎn)源合成目標(biāo)回波相位變化率的這一特點(diǎn)不如體目標(biāo)顯著。

2)體目標(biāo)回波相位變化率與多點(diǎn)源合成目標(biāo)回波相位變化率在入射角90°附近量值差異較小,在其他角度下存在明顯的量值差異。表明了通過(guò)對(duì)比兩類目標(biāo)回波信號(hào)相位變化率,可以對(duì)兩類目標(biāo)的回波進(jìn)行分辨,同時(shí)驗(yàn)證了基于相位變化率的體目標(biāo)與多點(diǎn)源和合成目標(biāo)回波分辨方法的可行性。

3)需要說(shuō)明的是,在水下體目標(biāo)回波的仿真預(yù)報(bào)過(guò)程中,未考慮混響等干擾因素的影響,這是造成仿真預(yù)報(bào)結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果存在較大差異的主要原因,在后續(xù)的研究中將逐漸修正完善。